دمج مبادلات الحرارة اللوحية مع أنظمة تبريد المحركات البحرية

تُعَدُّ أنظمة تبريد المحركات البحرية قلبَ وروحَ أنظمة الدفع وتوليد الطاقة على متن السفينة. وفي عصرٍ تزداد فيه كثافة القدرة باستمرار ويتّسم بجدول أعمال أكثر صرامةً فيما يتعلّق بالانبعاثات، ازدادت أهميّة إدارة الحرارة للمحرك وتعقيداتها. وقد أصبح استخدام مبادلات الحرارة اللوحية (PHE) على نطاق واسع الخيار الأمثل لتبريد المحركات نظراً لكفاءتها العالية في تبادل الحرارة وحجمها المدمج، إضافةً إلى الحاجة إلى ربط الخصائص الهيدروليكية والمادية والتشغيلية للنظام بدقة لضمان عمرٍ تشغيلي أطول، وهو ما بات ممارسةً قياسية.

لماذا تُستخدَم مبادلات الحرارة اللوحية في المحركات البحرية؟

بالمقارنة مع مبادل حراري تقليدي من نوع الغلاف والأنابيب، ينقل المبادل الحراري اللوحي ما يصل إلى خمسة أضعاف معامل الانتقال الحراري بسبب التوربلانس المُحفَّز بواسطة الصفائح المموجة. وتؤدي كفاءة المبادل الحراري اللوحي مباشرةً إلى صغر الحجم والوزن بشكل كبير، وهي اعتبارٌ بالغ الأهمية في المحركات البحرية التي تفتقر إلى المساحة. وبفضل تصميمه الوحداتي، يمكن تركيب صفائح إضافية بسهولة إذا ازدادت الحاجة إلى انتقال حراري أكبر نظراً لتغير الأحمال المؤثرة على المحرك أو متطلبات نظام التبريد. كما أن قرب فرق درجات الحرارة في المبادلات الحرارية اللوحية يُحسِّن تبريد ماء الجاكيت وزيت التشحيم، مما يُحسِّن أداء نظام احتراق المحرك ويطيل عمره الافتراضي.

النقاط الرئيسية للتكامل في حلقة التبريد

تتكوّن أنظمة التبريد الخاصة بمحركات السفن من جزأين: دائرة ماء عذب ذات درجة حرارة مرتفعة تبرّد جسم المحرك، ودائرة ماء بحري ذات درجة حرارة منخفضة لإزالة الحرارة المنقولة من الماء العذب عبر مبرّد مركزي. وقد تؤدي مبادلات الحرارة اللوحية في هذه المنظومة وظيفتين: إما كمبرّد رئيسي لماء الغلاف الخارجي للمحرك أو كمبرّد لزيت التزييت. وبصفتها مبرّداً رئيسياً لماء غلاف المحرك، فإن مبادل الحرارة اللوحي ينقل الحرارة من دائرة الماء العذب إلى ماء البحر، ويحافظ على درجة حرارة ماء الغلاف ضمن النطاق التشغيلي البالغ من ٧٥ °م إلى ٨٥ °م.

وبصفتها مبرّداً لزيت التزييت، فإن مبادل الحرارة اللوحي يضبط درجة حرارة زيت التزييت عند درجة معينة أو دونها للحفاظ على اللزوجة الصحيحة.

بالإضافة إلى تبريد ماء الغلاف والزيت التشحيمي، تُستخدَم مبادلات الحرارة المسطحة أيضًا لتبريد هواء الشحن الخاص بالشاحن التوربيني في دورة مماثلة، وذلك لزيادة كثافة الهواء الداخل إلى المحرك وبالتالي تحسين كفاءة الاحتراق. ولكلٍّ من هذه التطبيقات خصائص مختلفة من حيث الضغوط ودرجات الحرارة والتراكمات التي تحدد أبعاد النظام.

اعتبارات المواد والتصميم الخاصة بالخدمة البحرية

بسبب البيئة التآكلية لمياه البحر في التطبيقات البحرية، يُعد اختيار مواد الصفائح المناسبة بدقة أمراً حاسماً. ويمكن أن يوفّر التيتانيوم أفضل حماية ضد التآكل الناتج عن الكلوريد، مثل التآكل النقري والتآكل في الشقوق والتآكل الغلفاني، الذي يحدث عادةً في تدفّق مياه بحر دافئة ومُكلورة. وغالباً ما يمكن تحديد الفولاذ المقاوم للصدأ من الدرجة ٣١٦ل على جانب المياه العذبة في المبادل الحراري اللوحـي المُبرِّد بالهواء (PHE) بتكلفة أقل بكثير مع توفير مقاومة جيدة للتآكل. أما بالنسبة لتدفّقات المياه العذبة الأكثر تآكلاً أو زيوت التشحيم، فيمكن تحديد سبيكة ٢٥٤ أو الفولاذ ذي البنية الثنائية لزيادة المتانة ومقاومة التآكل. كما يجب أن يراعي اختيار مادة الحشوة العوامل المشتركة مثل تقلبات درجات الحرارة، وتركيب السائل، وأثر الانضغاط الدائم.

المواد التي تُختار عادةً لوحدات التبادل الحراري المسطحة هي النتريل وEPDM وFKM (فيتون)، ولكلٍّ منها نطاقات مختلفة من درجات حرارة التشغيل ومقاومة مختلفة لأنواع محددة من السوائل. ويجب الانتباه إلى أن سقوط الضغط عبر وحدة التبادل الحراري المسطحة يجب ألا يتجاوز نحو ١–٢ بار في كل من الدائرتين لتفادي إرهاق المضخة أو ظروف التدفق المنخفض.

الهيدروليكا النظامية وأفضل الممارسات الخاصة بالتركيب

استخدام حزمة الصفائح في وحدة التبادل الحراري المسطحة بشكل صحيح يتطلب مراعاة جوانب أعمق. فالهيدروليكا النظامية والتصميم لهما تأثير كبير على الأداء السليم لمبادل الحرارة. ويجب أن يراعي التصميم تقليل طول الأنابيب قدر الإمكان، وتوفير سهولة الوصول إلى حزمة الصفائح للصيانة. كما ينبغي أن تُختار الوضعية والاتجاه الأمثل لوحدة التبادل الحراري المسطحة بحيث يقلّ طول مسار الأنابيب إلى أدنى حدٍّ ممكن، ويسمح ذلك بالوصول السهل لتنظيف حزمة الصفائح، إذ يجب تصريف الوحدة قبل سحب الحزمة.

تَفرض الممارسة القياسية تركيب مبادل الحرارة المُبرِّد بالضغط (PHE) رأسيًّا لضمان تصريف كل دائرة بشكلٍ مناسب وتفريغ الهواء المحبوس. ويجب تضمين مرشّحات في كلا تيارات السائل قبل مدخل مبادل الحرارة المُبرِّد بالضغط (PHE) لحماية الصفائح ونظام الحشوات من الملوثات والأضرار. كما يجب مراقبة درجات الحرارة والضغوط في كلا الدائرتين باستخدام مقاييس مُركَّبة في المواضع المناسبة، مع أخذ التمدد الحراري لكلا دائرتي السائل في الاعتبار باستخدام حلقات التمدد أو وصلات الأنابيب المرنة لمنع إجهاد غير مرغوب فيه على براغي تثبيت مبادل الحرارة المُبرِّد بالضغط (PHE). وفي السفن التي تحتوي على محركات متعددة ومبادلات حرارة مُبرِّدة بالضغط (PHE) مرتبطة بها، يجب توفير صمامات تسمح بعزل أحد مبادلات الحرارة المُبرِّدة بالضغط (PHE) وإجراء الصيانة عليه دون إيقاف تشغيل السفينة.

رصد الأداء ودمج عمليات الصيانة

دمج النظام لمركب تبادل حراري لوحي (PHE) ليس عملية «تثبيت ونسيان»، بل يتطلب رصد المعايير التشغيلية لهذا المركب لضمان أداءٍ يتوافق مع الكفاءة التصميمية. ومن المؤشرات التي تستدعي القلق: الانحرافات الكبيرة عن القيم المُحددة مسبقًا لدرجة حرارة السائل عند المخرج، وازدياد الفرق في الضغط عبر أيٍّ من الدائرتين، ورصد معدل تسرب ماء البحر إلى دائرة المياه العذبة. وإذا لوحظ تراجع في الأداء، فإن إجراء تنظيف كيميائي للمركب اللوحي يعيد إليه كفاءته الأصلية في نقل الحرارة عند وجود انسداد عضوي، بينما يمكن استخدام غسل عالي الضغط وعالي الحرارة لإزالة الترسبات الكلسية. وبإدراج جدول الصيانة الروتينية ليتم تنفيذه في الوقت نفسه مع فترات صيانة المحرك، يصبح بالإمكان تقليل وقت التوقف غير المخطط له وزيادة العمر التشغيلي الفعلي للمواد المستخدمة في الصفائح والمواد العازلة (الجيسيت).

الخاتمة

يوفّر اختيار دمج مبادلات حرارية لوحيّة في المحركات البحرية ظروفاً مثلى، ما يضمن أعلى درجة من انتقال الحرارة في أصغر المساحات الممكنة، مع إتاحة مستويات استثنائية من المرونة من حيث السعة. وتُعنى مجموعة «إس إم إي» بهندسة الأنظمة البحرية منذ أكثر من عشرين عاماً، وهي تمتلك نظام جودة معتمداً وفق معايير «آيزو» لجميع أنظمة التبريد، ما يكفل إدارة دقيقة حتى في عمليات التحديث (Retrofits). علاوةً على ذلك، تتيح لها منشأةٌ تبلغ مساحتها ٥٠٠٠ متر مربع، يعمل فيها مئة مهندسٍ وفنيٍّ، إنجاز جميع مشاريعكم البحرية تحت شعار «ما وراء القلق»، ما يساعدكم ويوفّر الخدمة لقرابة ألف سفينة سنوياً بأنظمة قطع الغيار الأصلية. وتُعدّ مجموعة «إس إم إي» الشريك الأمثل لتحسين كلٍّ من الأداء وطول عمر أنظمة تبريد المحركات البحرية؛ فلا تترددوا في الاتصال بنا لمناقشة تفاصيل مشاريعكم القادمة، كي نقدّم لكم عرضاً سعرياً لأنظمة التبريد البحرية.